活性基体改进激光原位微量元素和同位素分析方法研究

Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS/MC-ICP-MS) has been widely investigated as a powerful analytical technique for the direct analysis of solid samples. It has been considered as one of the most exciting progress in analytical geochemistry during the past two decades. The performance of LA-ICP-MS/MC-ICP-MS is mainly limited by its sensitivity due to its small sampling amount. The purpose of this project is to improve the sensitivity of LA-ICP-MS/MC-ICP-MS by using five active matrix modifiers (methanol, formic acid, ethanol, nitrogen, hydrogen). Based on the selected active matrix modifier or the active matrix modifier combination, we will establish the new in situ analytical method by using LA-ICP-MS/MC-ICP-MS. We would like to make breakthrough in high spatial resolution analysis, low content sample analysis and simultaneous analysis of both elements and isotope ratios. In order to keep the good analytical precision, these analyses require very high instrumental sensitivity. It is quite for sure that these new active matrix modified laser ablation analytical methods will definitely expand our work area, provide solutions for many geological problems, and support obtaining the fruitful geological results.

激光剥蚀等离子体质谱可进行固体微区原位微量元素和同位素准确精细分析，研究化学组成在微米尺度上的分布和分配规律，而被认为是地球化学分析方法研究领域近20年来最激动人心的重要进展之一。灵敏度是激光原位同位素和微量元素分析技术能力的最主要表征。本项目旨在通过研究甲醇、甲酸、乙醇、氮气和氢气这5种活性基体对激光原位同位素和微量元素分析灵敏度的特殊增敏作用，优选出最佳的活性基体或活性基体组合。建立活性基体改进激光原位同位素和微量元素分析新方法。力求在高空间分辨率，低含量样品的同位素和微量元素测定以及多种同位素或同位素与微量元素联合同时测定方面获得突破。与以往分析测试手段的进步往往带来了地球科学研究的突破一样，可以预见，活性基体改进激光原位新技术、新方法的开发必将极大地拓宽我们的工作领域，为更多地质问题的深入研究提供可能，也必将为推动地球科学成果的获得提供技术源泉。

激光剥蚀等离子体质谱可进行固体微区原位微量元素和同位素准确精细分析，研究化学组成在微米尺度上的分布和分配规律，而被认为是地球化学分析方法研究领域近20年来最激动人心的重要进展之一。灵敏度是激光原位同位素和微量元素分析技术能力的最主要表征。我们发现在LA-ICP-MS中加入氮气、乙醇等活性基体可使大部分元素的分析信号强度提高1.5到3倍。氮气等活性基体的加入使氧化物干扰降低一个数量级，氢化物干扰降低5-10倍。我们对信号增敏的机理以及干扰降低的原因进行了深入的探讨。此外，还详细研究了不同物理化学性质的离子在等离子体中的分布情况。结果表明，氮气、乙醇等活性基体加入使分析物离子在等离子体中心通道的轴向分布明显变宽，而且不同物理化学性质的离子在等离子体中的分布更加均一，这显著提高了等离子体的稳定性，从而提高了同位素分析的精度。我们的研究还发现等离子体质谱中氮气的引入还可以抑制同位素非质量歧视对Hf和Nd等同位素测定的影响。利用氮气增敏和降干扰技术结合高性能锥，我们开发出了激光原位高空间分辨率Hf、Nd、B、S同位素分析新方法，显著提高了这些同位素测定的准确度和精度。我们还设计了激光剥蚀电感耦合等离子体质谱信号平滑器。相对于商用的Squid信号平滑系统, 该信号平滑系统的记忆效应降低了约6倍。在单脉冲的情况下，信号稳定性可提高12倍。该系统已成功应用于高空间分辨率锆石U-Pb定年。目前，该系统已被中科院地质与地球物理研究所、中科院贵阳地化所、地科院矿产资源研究所、西北大学、南京大学、台湾大学、德国马普所、美国圣母大学等十多家单位使用。在岩石样品消解方法方面获得突破性进展，建立了氟化氢铵和氟化铵敞口消解全岩样品的新方法。其消解效率是传统的高压密闭消解法的10-20倍。整体而言，该法具有高效、安全、低成本、灵活、工作量小等优点，是地质样品消解方法的一个重要创新，具有非常强的应用前景。与以往分析测试手段的进步往往带来了地球科学研究的突破一样，可以预见，活性基体改进激光原位新技术、新方法的开发必将极大地拓宽我们的工作领域，为更多地质问题的深入研究提供可能，也必将为推动地球科学成果的获得提供技术源泉。